摘    要

近年來(lái)，由于傳統(tǒng)的不可再生燃料變得昂貴且隨著環(huán)境污染水平的增加，混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)(ev)受到了全球的關(guān)注。鋰離子電池電動(dòng)汽車(chē)最受歡迎，因?yàn)槠渚哂懈玫哪芰棵芏群蜔岱€(wěn)定性。隨著電池電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)，對(duì)車(chē)輛及其乘員的熱安全性的擔(dān)憂在潛在客戶中越來(lái)越多。溫度對(duì)鋰離子電池的性能起著重要的作用，包括電池容量、充電輸出、行駛里程、電池的機(jī)械壽命等。對(duì)于鋰離子電池，最佳工作范圍應(yīng)在15-35°C之間，所有電池也必須保持在±5°C的變化范圍內(nèi)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬可以更好地了解電池內(nèi)部的溫度。但CFD仿真過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)，涉及多物理場(chǎng)和窮舉計(jì)算。本文介紹了消除重復(fù)CFD分析和物理試驗(yàn)的仿真方法。利用電池的CFD熱計(jì)算結(jié)果和等效電路模型(ECM)，建立了電池?zé)嵯到y(tǒng)的降階模型(ROM)，該模型可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)循環(huán)工況下的電池溫度。ECM是利用電池的混合脈沖功率特性(HPPC)測(cè)試結(jié)果獲得的。目前的方法是使用商業(yè)三維CFD軟件、一維仿真軟件和標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)循環(huán)輸入條件數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的。它提供了給定電池系統(tǒng)的中等保真度數(shù)字模型，可進(jìn)一步用于多物理場(chǎng)研究、電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功率利用研究。

01  介    紹

電動(dòng)汽車(chē)由電能/電荷存儲(chǔ)系統(tǒng)組成，通常由許多電池組成的電池組。電池根據(jù)其化學(xué)成分進(jìn)行區(qū)分，如鉛酸電池、鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)、鋰離子電池(Li-ion)等?；阡囯x子電池的比能量密度、體積能量密度、充電容量、可用倍率、安全性、成本/千瓦時(shí)等因素，人們認(rèn)為鋰離子電池適用于電動(dòng)汽車(chē)。電池可作為推進(jìn)系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)(如照明、雨刷、電動(dòng)車(chē)窗等)的電源。由于電池的性能在車(chē)輛的使用壽命中逐漸下降，因此必須仔細(xì)管理電池，以盡量減少電池的退化及其對(duì)車(chē)輛性能的影響。影響電池性能和壽命的最重要因素之一是電池溫度。在非常低的溫度下，電池表現(xiàn)出電解質(zhì)損失、鋰鍍層損失和容量衰退效應(yīng)。另一方面，在高溫下操作電池會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)分解反應(yīng)，這種反應(yīng)本質(zhì)上是放熱的。SEI層分解)。這些放熱鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的開(kāi)始是由于電池的機(jī)械濫用、內(nèi)部/外部短路和電化學(xué)濫用引起的溫度升高。較高的溫度將進(jìn)一步增加電池材料的分解反應(yīng)速率，最終導(dǎo)致“熱失控”的條件，可能以火災(zāi)或爆炸結(jié)束，由于在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的加壓氣體。因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)的設(shè)計(jì)需要注意，并且在復(fù)雜性和成本方面差異很大。較不復(fù)雜的管理系統(tǒng)可能會(huì)使用一個(gè)小風(fēng)扇來(lái)使周?chē)目諝膺M(jìn)入電池組。這種方法簡(jiǎn)單且成本較低，但它可能無(wú)法為高功率需求電池提供最佳冷卻效果，也無(wú)法防止電池組內(nèi)大量的溫度不平衡。更復(fù)雜的管理系統(tǒng)可以包括一個(gè)溫度控制的液體冷卻電路，該電路通過(guò)模塊中的電池單元。這種方法可以均勻地調(diào)節(jié)電池組溫度，并在大范圍的溫度和操作條件下提供充分的功率提取能力。一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池是由多個(gè)相同的電池組成的。這些電池有不同的形狀，如圓柱形，棱柱形，袋狀等。電池以特定的串聯(lián)和并聯(lián)方式與中間冷卻劑管道連接在一起，組成一個(gè)模塊，然后將這些模塊串聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)完整的電池組。電池單元:主要用于電動(dòng)汽車(chē)的鋰離子電池的基本單元，通過(guò)充放電產(chǎn)生電能。它是由陰極、陽(yáng)極、分離器、電荷收集器和電解質(zhì)組合成一個(gè)外殼。電池的電學(xué)參數(shù)包括標(biāo)稱(chēng)電壓(伏特-V)、充電容量(安培-小時(shí)-Ah)、工作電壓范圍(Vmin- Vmax)、c額定值、內(nèi)阻等。電池模塊:是將固定數(shù)量的電池組件組合在一個(gè)框架內(nèi)，與冷卻管道，溫度和電壓傳感器一起保護(hù)電池免受外部沖擊，熱量或振動(dòng)。連接多個(gè)模塊，獲取所需的蓄電池總電壓和容量。電池組:安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的電池系統(tǒng)的最終形狀，由模塊，各種控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)組成，包括BMS(電池管理系統(tǒng))，BCS(電池冷卻系統(tǒng))等，稱(chēng)為電池組。熱管理系統(tǒng)應(yīng)緊湊、輕便、易于在車(chē)輛中包裝、可靠、經(jīng)濟(jì)。它還必須允許易于維護(hù)的模塊訪問(wèn)，并使用最小的功率風(fēng)扇和冷卻劑泵流。在整車(chē)研發(fā)階段，為了實(shí)現(xiàn)整車(chē)和BTMS的最佳性能，設(shè)計(jì)了不同的電池冷卻策略和設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)多次CFD流熱模擬和物理測(cè)試，這既耗時(shí)又耗費(fèi)資源。因此，采用BTMS評(píng)估方法以更少的資源和計(jì)算工作量獲得更快的結(jié)果將是有益的。本文首先討論了在單電池上應(yīng)用電熱模擬方法的案例，并根據(jù)物理測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了溫度和熱量產(chǎn)生的結(jié)果。后來(lái)，該過(guò)程擴(kuò)展到多電池組。電動(dòng)汽車(chē)乘用車(chē)電池模型也可以采用同樣的方法。電池ECM提供了關(guān)于電池重要電氣參數(shù)的見(jiàn)解，這有助于決定所需電壓和容量的電池排列(串聯(lián)/并聯(lián))以及電池在電路中給定驅(qū)動(dòng)循環(huán)電流下的散熱。另一方面，ROM存儲(chǔ)電池外殼內(nèi)部的傳熱行為，并對(duì)ECM獲得的電池散熱溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算(沒(méi)有CFD模擬)。它將使開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在虛擬仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上消除低效的設(shè)計(jì)，并非?？焖俚剡_(dá)到最佳設(shè)計(jì)，并可以使用原型進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖1  鋰離子電池的類(lèi)型

圖2  電池單元和相鄰組件

圖3  電池組件

圖4  風(fēng)冷電池組

02 電池單元和電池組數(shù)學(xué)建模

為了準(zhǔn)備電池的模擬模型，可以利用熱化學(xué)性質(zhì)來(lái)形成一個(gè)3D模型來(lái)捕捉所有的性質(zhì)，利用了大量的計(jì)算工作。另一方面，等效電路模型(ECM)是使用(電池表征參數(shù))電壓，電阻，電容器等的電池單元的電氣表示，可用于預(yù)測(cè)其基本工作特性，如充電狀態(tài)(SoC)估計(jì)，熱量產(chǎn)生等，而無(wú)需任何復(fù)雜的計(jì)算。通過(guò)在電池級(jí)執(zhí)行混合脈沖功率表征(HPPC)測(cè)試來(lái)估計(jì)這些電池表征參數(shù)，以捕獲給定電流輸入信號(hào)下電池的瞬態(tài)響應(yīng)特性。ECM是使用一維仿真軟件根據(jù)HPPC測(cè)試數(shù)據(jù)創(chuàng)建的。在為電池創(chuàng)建ECM后，可以獲得電池在給定驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的散熱。將這些熱量與載流導(dǎo)體的熱源一起作為輸入，需要使用CFD模擬軟件進(jìn)行瞬態(tài)流動(dòng)-熱CFD分析。輸入的電池溫度變化等于驅(qū)動(dòng)周期中產(chǎn)生的恒定平均熱量，在CFD運(yùn)行期間被記錄下來(lái)，并用作ROM創(chuàng)建的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。也可以在ROM的一維仿真工具中使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)創(chuàng)建。一旦ROM被創(chuàng)建，電池溫度可以獲得不同的輸入熱產(chǎn)生模式對(duì)應(yīng)的輸入電流信號(hào)。這個(gè)過(guò)程的更多細(xì)節(jié)解釋如下:

2.1 鋰離子電池的ECM模型

電芯的ECM通常由RC網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)電阻組成，以考慮電池的內(nèi)阻?；趶?fù)雜性和精度要求，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了幾種ECM模型，如Rint/線性極化模型、Thevenin/單極化模型、改進(jìn)的Thevenin/雙極化模型等。雙極化模型(Dual Polarization model, 6個(gè)參數(shù))是鋰離子電池常用的建模方法，如圖5所示。

圖5  鋰離子電池等效電路模型

VOCV是開(kāi)路電壓,即電池包的電壓,終端沒(méi)有連接到任何負(fù)載。R1、R2為電阻和C1, C2為電容。R1-C1分支代表電池包的快速瞬態(tài)響應(yīng),而R2-C2分支代表慢響應(yīng)。RS表示電池包的內(nèi)部電阻。V (t)是終端電壓,當(dāng)電池充電或放電過(guò)程。I(t)是通過(guò)電池包電流。式(1)和(2)分別給出了放電時(shí)電池的終端電壓(V或Vterm)和流過(guò)電池的電流(I)的公式。R-C并聯(lián)分支模擬了陽(yáng)極和陰極的活化極化或電荷轉(zhuǎn)移過(guò)電壓和濃度極化。極化是指由于電流通過(guò)而使電池的終端電壓偏離開(kāi)路電壓。模型中R-C分支數(shù)越高，細(xì)胞模型越準(zhǔn)確。VOCV、R1、R2、C1、C2、RS是由HPPC測(cè)試數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的6個(gè)細(xì)胞表征參數(shù)。

2.2 混合脈沖功率特性(HPPC)測(cè)試

HPPC測(cè)試在電池水平上進(jìn)行，以確定電池的基本工作特性，如充電或放電時(shí)的瞬態(tài)電壓和電流行為。測(cè)試裝置主要由LFP(磷酸鐵鋰)電池組成，電池保持在一個(gè)腔室中，電流脈沖作為輸入。測(cè)試在不同的電池溫度水平下進(jìn)行，并在不同的SOC水平下計(jì)算輸入電流和輸出端子電壓讀數(shù)的數(shù)據(jù)。圖6為HPPC試驗(yàn)中單次放電和再生脈沖的電流與時(shí)間關(guān)系圖。

圖6  標(biāo)準(zhǔn)HPPC測(cè)試電流脈沖

HPPC試驗(yàn)的具體步驟如圖7所示。在開(kāi)始時(shí)，電池被充電到其全部容量，使SOC為1(或100%)，并允許它休息1小時(shí)。然后，對(duì)電池施加一個(gè)放電和再生脈沖，然后以10%的SOC以C/3電流放電率放電，同時(shí)記錄終端電壓(Vterm)。讓細(xì)胞休息1小時(shí)。達(dá)到熱平衡，使其達(dá)到VOCV電壓，并施加下一個(gè)HPPC電流脈沖。SOC每下降10%，重復(fù)上述步驟，直至電池完全放電。對(duì)不同的電池溫度水平重復(fù)相同的測(cè)試程序。

圖7  HPPC試驗(yàn)前的電池準(zhǔn)備步驟

記錄每個(gè)休息期間的電壓，以建立電池的OCV(開(kāi)路電壓)行為。不同SOC和溫度水平的數(shù)據(jù)以特定的輸入格式排列，用于使用1D仿真軟件。所有輸入文件都被送入一維模擬軟件-電池ECM創(chuàng)建菜單?！扒€擬合”程序應(yīng)用于記錄的電壓(Vterm)與時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)，并估計(jì)所需的電池參數(shù)VOCV, R1, R2, C1, C2, RS。圖8為298.15 K時(shí)20ah容量電池通過(guò)1D仿真軟件計(jì)算出的電池表征參數(shù)。這樣的二維表格是在HPPC測(cè)試中考慮的所有溫度水平下生成的。

圖8  來(lái)自一維軟件的電池表征參數(shù)

2.3 電池ECM電路

在獲得不同溫度水平下的電池表征參數(shù)表后，一維仿真軟件對(duì)具有正(+)/負(fù)(-)端子和其他端子的電池建立數(shù)字模型，提取輸入驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)電池產(chǎn)生的熱量、SOC變化等輸出。圖9為一維仿真軟件工作區(qū)中單元ECM的圖形表示。采用單元ECM模型，以時(shí)變電流信號(hào)形式輸入負(fù)載的基本電路，配合電壓表和電流表測(cè)量單元端電壓和電路電流響應(yīng)?？梢詷?gòu)建如圖10所示，以虛擬地研究不同電流輸入負(fù)載下電池/電池的響應(yīng)。

圖10  單個(gè)電池ECM電路

同樣，使用電池ECM作為構(gòu)建塊，可以虛擬地創(chuàng)建完整的電池組電路。單元ECM是重復(fù)的，并根據(jù)要求以串聯(lián)/并聯(lián)配置相互連接。圖11所示為30節(jié)電池組，其中電池按15串2并聯(lián)配置。電流(I)與時(shí)間數(shù)據(jù)以表格形式作為“驅(qū)動(dòng)周期”，可以作為電池ECM電路的輸入“電流負(fù)載”。圖12顯示了一些任意驅(qū)動(dòng)周期數(shù)據(jù)的曲線圖。此外，可以從電池ECM各自的輸出端提取驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間通過(guò)電池的電流在每個(gè)電池中對(duì)應(yīng)的產(chǎn)熱數(shù)據(jù)。圖13顯示了一些任意驅(qū)動(dòng)周期輸入ECM的熱量(瓦特)與時(shí)間數(shù)據(jù)的曲線圖。

圖11  電池ECM電路

圖12  輸入驅(qū)動(dòng)周期電流負(fù)載數(shù)據(jù)

圖13  電池產(chǎn)熱輸出數(shù)據(jù)

03 電池CFD和熱ROM測(cè)試

在為電池組創(chuàng)建ECM后，ROM創(chuàng)建過(guò)程的下一步是通過(guò)瞬態(tài)流熱CFD分析(階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)生成)生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)。本文利用CFD仿真軟件進(jìn)行了瞬態(tài)CFD仿真。針對(duì)本次仿真，采用了電池包CAD幾何圖形的域離散化;需要了解冷卻劑入口流量參數(shù)，熱初始/邊界條件，固體和流體的材料特性，所有熱源(電池，母線，端子等)及其值。獲得的“ROM測(cè)試數(shù)據(jù)”以電池溫度與時(shí)間的形式作為CFD模擬的輸出。這種CFD模擬是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，但對(duì)于特定電池組設(shè)計(jì)的熱ROM是一次性的活動(dòng)。詳細(xì)步驟將在本文的進(jìn)一步討論中描述。

3.1 電池系統(tǒng)熱源計(jì)算

電池外殼內(nèi)部產(chǎn)生的熱量是電池組溫度升高的主要原因。電池中的熱量由兩種模式產(chǎn)生，即電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熵變和電流流過(guò)電池和導(dǎo)體(母線、端子等)的內(nèi)阻引起的焦耳效應(yīng)(或歐姆加熱)。電池的產(chǎn)熱率(瓦)可按以下公式計(jì)算:

式(3)中的第一項(xiàng)給出細(xì)胞內(nèi)的歐姆熱量，第二項(xiàng)給出熵變熱量。但是，與歐姆熱相比，由熵變產(chǎn)生的熱量很小，可以合理地忽略它。但是，在一維仿真軟件中，可以從ECM電路中提取每個(gè)電池對(duì)應(yīng)特定驅(qū)動(dòng)循環(huán)輸入的歐姆產(chǎn)熱數(shù)據(jù)，如圖13所示，如2.3中所示。根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的平均電池?zé)嶂?，并?D CFD模型中以體積熱量(W/m3)的形式分配給電池體。電池電路載流導(dǎo)體中的焦耳熱效應(yīng)可計(jì)算如下:

Qconductor=體積發(fā)熱量(W/m3) 。ρ=導(dǎo)體電阻率(歐姆)。IRMS = RMS通過(guò)導(dǎo)體的電流(A)。 A =導(dǎo)體載流截面(m2)。不同母線和端子的熱源值可以使用式(4)計(jì)算，并在三維CFD模型中分配給各自的固體。

3.2 熱CFD仿真模型

熱源計(jì)算完成后，需要在CFD軟件中建立單個(gè)電池或整個(gè)電池組的CFD模型，以獲得電池殼體內(nèi)發(fā)熱部件與冷卻介質(zhì)(空氣/液體冷卻劑)之間發(fā)生的熱交換。本文只考慮了傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳熱方式。為了做到這一點(diǎn)，需要CFD離散模型以及材料性能，如密度，導(dǎo)熱系數(shù)，spe。模型中所考慮的所有固體和流體的熱容和粘度。圖14為單袋型鋰離子電池的網(wǎng)格模型。此外，需要將3.1節(jié)計(jì)算的冷卻劑進(jìn)出口流熱邊界條件、表面溫度邊界條件和熱源值賦給模型中各自的部件。在完成CFD模擬后，需要生成階躍響應(yīng)分析過(guò)程中電池組中每個(gè)電池的平均電池溫度的輸出報(bào)告文件。該文件進(jìn)一步需要用作ROM創(chuàng)建的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此以1D模擬軟件可讀的特定格式創(chuàng)建它是很重要的。

圖14  用于CFD分析的電池單體網(wǎng)格模型

最后，選擇三維CFD計(jì)算方法、控制和時(shí)間增量參數(shù)，使解快速收斂，精度好。圖15所示為任意電池組模型，其電池、母線、端子等被封閉在一個(gè)外殼內(nèi)。

圖15  電池組模型

為了更完整、更準(zhǔn)確地捕捉電池內(nèi)部的傳熱行為，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)行流動(dòng)熱瞬態(tài)模擬是很重要的，這樣冷卻劑流動(dòng)和單個(gè)電池溫度就可以在空間和時(shí)間上達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。如果系統(tǒng)需要很長(zhǎng)的時(shí)鐘時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的電池溫度或甚至沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定的溫度，則表明冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率低下，建議對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。該訓(xùn)練數(shù)據(jù)的完整性決定了ROM溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。圖16為CFD瞬態(tài)仿真得到的流量和溫度曲線，圖17為圖15所示電池模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸出文件和穩(wěn)態(tài)電池溫度圖。

圖16  (a)流道線(b)電池溫度曲線

圖17  (a)ROM測(cè)試數(shù)據(jù)文件(b)測(cè)試數(shù)據(jù):溫度與時(shí)間圖

04 電池組的電熱聯(lián)合仿真

使用CFD模擬創(chuàng)建ROM訓(xùn)練數(shù)據(jù)是針對(duì)給定電池組、冷卻劑流動(dòng)回路和相應(yīng)冷卻參數(shù)的一次性活動(dòng)。1D仿真軟件將電池ECM和CFD測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，創(chuàng)建一個(gè)電池?zé)酭OM，同時(shí)給出給定驅(qū)動(dòng)周期的熱量產(chǎn)生和電池溫度。在不改變?nèi)魏屋斎霂缀巍⒘髁亢蜔釁?shù)的情況下，使用同一個(gè)ROM可以研究電池電氣和電池冷卻系統(tǒng)對(duì)不同輸入驅(qū)動(dòng)循環(huán)的響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，或者在測(cè)試過(guò)程中多次重復(fù)。由于計(jì)算復(fù)雜性，CFD計(jì)算無(wú)法在如此長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)運(yùn)行，因此ROM可以有效地捕獲CFD測(cè)試數(shù)據(jù)，并嘗試推斷此類(lèi)驅(qū)動(dòng)周期的電池溫度結(jié)果。

4.1 電池?zé)岱抡鍸TI-ROM創(chuàng)建

LTI-ROM代表“線性時(shí)不變降階模型”。物理系統(tǒng)是用常微分方程(ODE)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的，其連續(xù)解的求解非常復(fù)雜。ROM將這些微分方程轉(zhuǎn)換成線性的、不隨時(shí)間變化的、計(jì)算簡(jiǎn)單的代數(shù)方程組。它利用系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和拉普拉斯變換來(lái)確定“傳遞函數(shù)”或一維數(shù)學(xué)模型，計(jì)算物理系統(tǒng)在不同輸入下的輸出響應(yīng)，而無(wú)需在CFD求解器中模擬三維系統(tǒng)。在一維軟件中，輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)文件、ROM輸入/輸出端口名稱(chēng)文件和特定格式的細(xì)胞總熱量生成文件，這3個(gè)文件是生成ROM組件所必需的。圖18顯示了為圖15所示的電池模型創(chuàng)建的熱ROM組件，其具有30個(gè)電池模塊。

圖18  一維模擬軟件中的電池?zé)酭OM

在本文中，考慮的電池型號(hào)具有相同的電池規(guī)格，并且所有并聯(lián)支路具有相同的電池?cái)?shù)量，從而導(dǎo)致每個(gè)支路的電流流量相同。因此，假定所有電池在驅(qū)動(dòng)循環(huán)運(yùn)行期間產(chǎn)生相同的熱量。因此，創(chuàng)建了組合的單個(gè)輸入端口，同時(shí)為ROM創(chuàng)建了單獨(dú)的溫度輸出端口。

4.2 利用電池ROM進(jìn)行電池溫度預(yù)測(cè)

一旦在一維仿真軟件中創(chuàng)建了ROM，就可以反復(fù)使用它來(lái)研究電池系統(tǒng)對(duì)不同輸入驅(qū)動(dòng)循環(huán)負(fù)載的響應(yīng)。與CFD分析相比，這將快速生成結(jié)果。該方法既適用于單節(jié)電池，也適用于多節(jié)電池。圖19為電池ECM和ROM聯(lián)合仿真模型。在輸入口，將ECM電路獲得的單個(gè)細(xì)胞發(fā)熱數(shù)據(jù)信號(hào)(如圖11所示)連接到ROM，并將實(shí)時(shí)細(xì)胞溫度變化數(shù)據(jù)wrt?？稍赗OM輸出處獲得相應(yīng)輸入驅(qū)動(dòng)周期的時(shí)間。

圖19  電熱聯(lián)合仿真模型

05  結(jié)果與討論

為了捕獲適當(dāng)?shù)臒崾Э靥匦裕⒉榭词欠裥枰鶕?jù)氣流/冷卻劑流動(dòng)改變電池設(shè)計(jì)，有必要捕獲與驅(qū)動(dòng)循環(huán)相關(guān)的電池?zé)崽匦?，以便我們可以指出總是處于較高溫度的電池，因?yàn)榕c其他電池相比，這可能會(huì)減少它們的壽命?？梢匝芯縍OM的電池溫度，并提出設(shè)計(jì)修改，以確保峰值溫度不超過(guò)理想的限制(15-35°C)。最初，單細(xì)胞ECM電路(如圖10所示)用于驗(yàn)證通過(guò)ROM獲得的細(xì)胞溫度和在測(cè)試室中進(jìn)行的實(shí)際物理測(cè)試。電池使用3.2 V標(biāo)稱(chēng)電壓和20Ah容量。將如圖12所示的驅(qū)動(dòng)周期電流信號(hào)作為輸入負(fù)載施加。在驅(qū)動(dòng)循環(huán)負(fù)載期間，記錄電池中產(chǎn)生的熱量和電池表面溫度。熱生成和電池溫度的測(cè)試結(jié)果與1D仿真軟件結(jié)果的比較分別如圖20和圖21所示。表1顯示了最大電池溫度值的偏差。表一

圖20  單個(gè)電池?zé)嵘蓤D

圖21 電池溫度變化圖

一維模擬熱ROM的溫度結(jié)果與物理測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差在±1%以?xún)?nèi)。因此，與所討論的方法實(shí)現(xiàn)了良好的相關(guān)性。進(jìn)一步，在48V電池組上實(shí)現(xiàn)了相同的電熱模擬方法，其中30個(gè)20Ah容量的電池以15串2并聯(lián)的方式排列，如圖11所示。電池通過(guò)進(jìn)入電池盒的空氣在298.15K下以預(yù)定的質(zhì)量流量冷卻。所施加的輸入驅(qū)動(dòng)周期負(fù)載如圖12所示，為電流與時(shí)間信號(hào)。每個(gè)電池在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量與圖13所示的圖相似，ROM預(yù)測(cè)的電池溫度如圖22所示。在30個(gè)電池的情況下，一個(gè)電池產(chǎn)生的熱量將小于單電池的情況，因?yàn)榱鹘?jīng)每個(gè)電池的電流大小減少。最高溫度在電池號(hào)上獲得。最低溫度是23號(hào)。單個(gè)電池的溫度值取決于電池組內(nèi)的傳熱特性、冷卻參數(shù)和冷卻劑路徑。

圖22  電池內(nèi)部溫度分布(ROM)

在相同的邊界條件和輸入條件下，通過(guò)CFD軟件工具進(jìn)行三維CFD模擬，驗(yàn)證了ROM預(yù)測(cè)的電池溫度。將輸入驅(qū)動(dòng)循環(huán)負(fù)荷對(duì)應(yīng)的時(shí)變產(chǎn)熱率作為輸入，對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。在1227秒的時(shí)鐘時(shí)間內(nèi)進(jìn)行瞬態(tài)仿真，以復(fù)制驅(qū)動(dòng)周期持續(xù)時(shí)間。圖23為CFD模擬運(yùn)行的溫度曲線。ROM電池溫度結(jié)果與CFD運(yùn)行結(jié)果的對(duì)比如圖24所示。

圖23  電池溫度等高線圖(CFD模型)

圖24  電池溫度對(duì)比(CFD與ROM)

由圖24可以看出，CFD計(jì)算的溫度值與ROM計(jì)算的溫度值變化在1 K以?xún)?nèi)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了99%。因此，本文所討論的方法能夠更快、更簡(jiǎn)單地預(yù)測(cè)電池溫度，具有可接受的精度。

06   結(jié)    論

該方法在不需要重復(fù)CFD模擬的情況下可用于預(yù)測(cè)電池組的電池溫度，并將結(jié)果與電池物理測(cè)試數(shù)據(jù)和CFD模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。在ROM和電池包的測(cè)試結(jié)果之間觀察到良好的相關(guān)性。驗(yàn)證過(guò)程中相關(guān)系數(shù)大于99%。該方法有利于在電動(dòng)汽車(chē)電池組開(kāi)發(fā)階段，避免重復(fù)CFD模擬研究電池冷卻系統(tǒng)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)循環(huán)輸入負(fù)載的響應(yīng)。該過(guò)程可用于驗(yàn)證不同的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)電池?zé)峁芾?，冷卻方式，冷卻劑流動(dòng)路徑等。本文討論的過(guò)程也成功地應(yīng)用于已經(jīng)在印度汽車(chē)市場(chǎng)推出的車(chē)輛，并發(fā)現(xiàn)有效的設(shè)計(jì)排名和提供最佳電池性能的對(duì)策解決方案。進(jìn)一步改進(jìn)這一過(guò)程可以通過(guò)開(kāi)發(fā)更高保真度的模型來(lái)虛擬地預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和溫度對(duì)續(xù)航性能的影響。